PMD - Renater

La PMD dans la fibre
Réalité ou pure spéculation?
Grégory Liétaert
Marketing Produit
Division fibre Optique, Acterna Test & Mesures
La PMD dans la fibre - Réalité ou pure spéculation?
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
La PMD en théorie
La PMD – facteur limitant
La réalité du terrain
Contourner et répondre aux
fortes valeurs de PMD
ƒ Mesurer la PMD
2
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Opto 2005 – Conférence Club Optique
Polarization Mode Dispersion - Les causes ƒ
Biréfringence: Fibre non parfaitement circulaire et symétrique
o Fabrication de la fibre non parfaite.
o La vitesse de groupe des principaux états de polarisation (PSPs) est légèrement différente.
ƒ
Contraintes et inhomogénéité de la fibre ( e.g. courbures… ) créent de la
biréfringence localisée.
o La fibre peut être torsadée, compressée ou courbée à certains points de la liaison.
o Une fibre est une addition de distributions aléatoires de sections biréfringentes
Local bi-refringence sections in a fiber
ƒ
3
La lumière envoyée dans la fibre avec un état de polarisation (SOP) donné,
modifie son « SOP » le long de la liaison, avec une variation dans le temps,
lente et aléatoire ( i.e. non prédictible) .
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Differential Group Delay
Les différents modes de polarisation voyagent à des vitesses
différentes, présentant un temps de propagation différent
entre les 2 modes principaux (PSPs).
Le résultat de la différence de temps de propagation entre
ces modes de polarisation est appelé “Differential Group
Delay” (DGD).
S
ar d
tand
SM
V1 > V2
span
r
e
fib
DGD
v2
v1
Perfect SM Fiber span
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Couplage de modes
ƒ Couplage de modes faible
ƒ Couplage de modes aléatoire ou fort
– Définition
Faible niveau d’échange d’énergie
entre les PSPs
– PMD=DGD=Constante
– Phénomène
Déterministe pour le composants ou les
fibre très courtes
– Unités
ps/km pour fibres très courtes
ps pour les composants
– Exemple
Isolateurs (<0.2ps) coupleurs
(<0.02ps), PMF (fibres HiBi),
connecteurs (<0.01ps)
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– Définition
Haut niveau d’échange d’énergie entre
les PSPs
– PMD= valeur statistique moyenne de
variation de DGD en fonction de la
longueur d’onde
– Phénomène
Stochastique pour fibres longues, et
instable
– Unité
ps / km
– Exemple
Fibres longues ou PMF mal alignées
Opto 2005 – Conférence Club Optique
Couplage de modes fort
Les modes de polarisation respectifs interagissent entre eux: les PSPs
changent de façon aléatoire (contraintes externes (pression, courbures,
torsades), Température…)
ed)
t
a
r
t
ncen
o
c
mly
o
d
n
s (ra
n
o
i
t
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Bire
DGD
v2
Ex
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na
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t
l
Opto 2005 – Conférence Club Optique
Fast
Slow
v1
!!
s
s
s tr e
Polarization Mode Dispersion - Définition ƒ Interaction entre la lumière et les propriétés du matériau: SOP vs
biréfringence
ƒ PMD est la valeur moyenne du retard de vitesse de (DGD
moyen), aussi appelé délai PMD ∆τ [ps], exprimé par le
coefficient de PMD ∆τc [ps/√km]
∆τ =
L × ∆τ c
ƒ La PMD instantanée varie avec λ, temps, la T°, les mouvements.
La PMD n’est pas intrinsèque et requière une étude statistique
– La PMD évolue avec la vie du réseau.
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Polarization Mode Dispersion - Les Effets -
Fast Axis
Slow Axis
∆τ
La PMD engendre un élargissement de
l’impulsion, Limitant la transmission haut débit
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La PMD du second ordre
ƒ Biréfringence
– Variation spatiale de l’indice de réfraction
– Dépendant de la longueur d’onde
ƒ PMD est également dépendant de la longueur d’onde:
PMD du 2nd ordre
• Ratio de la variation du DGD vs longueur d’onde
• Ratio du changement de direction des PSPs vs longueur d’onde
ƒ La PMD du 2nd ordre se combine à la Dispersion
Chromatique
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La PMD du second ordre
Fast Axis
Slow Axis
∆τ
Le coefficient de PMD du second ordre est exprimé en ps/(nm.km)
Pour une PMD 1er de 0.5ps/km1/2, le 2nd ordre PMD est de 0.015ps/nm.km
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La PMD dans la fibre - Réalité ou pure spéculation?
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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La PMD en théorie
La PMD – facteur limitant
La réalité du terrain
Contourner et répondre aux fortes valeurs de PMD
Mesurer la PMD
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Polarization Mode Dispersion - Les Conséquences ƒ Transmission numérique
– Augmentation des taux d’erreurs et limitation de la bande
passante
– Engendre une réduction du rapport S/B (OSNR)
– Augmente les problèmes de diaphonie
ƒ Transmission Analogique (modulation d’amplitude)
– Distorsion (CSO) et limitation du nombre de canaux par
longueur d’onde
1
1
0
1
1 1 0? 1
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Polarization Mode Dispersion – Les Contraintes ƒ Les contraintes liées à la PMD augmentent avec:
– Le débit par canal
– La longueur de la liaison (nombre de sections)
– Le nombre de canaux (possibilité de perdre la détection des canaux)
ƒ Les contraintes liées à la PMD augmentent avec:
– Un meilleur contrôle de la fabrication des fibres (géométrie…)
– Ajout de modules de compensation
ƒ La PMD est plus un problème pour les « vieilles » fibres G652
(<1995) que les récentes fibres G652, G653 ou G655
La PMD est un phénomène instable et non
prévisible!
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Polarization Mode Dispersion – Paramètre limitant • Le caractère statistique de la PMD est pris en compte par le fait
que, pour déterminer le délai PMD maximum autorisé, seul un
dixième de la largeur du bit TB est autorisée.
Admissible PMD
0
admissible PMD (ps) for fiber
link
∆τmax ≤ TB /10
1
Max. 10%
1000
160
100
ps (STM 4)
40
ps (STM 16)
10
10
2.5 ps (STM 256)
1
0
1
3
Transmission speed (Gib/s)
• Longueur maximum de fibre L ≤ ∆τ2/ ∆τc2
14
∆τc
[ps/√km]
0.075
2.5 Gbit/s
0.5
6 400 km
400 km
25 km
1
1 600 km
100 km
6 km
5
64 km
4 km
--------
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10 Gbit/s
ps (STM 64)
40 Gbit/s
284 445 km 17 778 km 1 112 km
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[km]
10
40
Polarization Mode Dispersion – Paramètre limitant la
transmission
Une augmentation du débit d’un facteur 4 réduit la distance d’un facteur 10!
Maximum Distance vs PMD coefficient and Data
Bit Rate
100000
Distance (km)
10000
2.5
2.5 Gbit/s
Gbit/s
1000
STM-16
10
10 Gbit/s
Gbit/s
100
40
40 Gbit/s
Gbit/s
10
1
0,01
0,1
1
10
1/2
PMD ( ps/km )
100
A.C.
0.5ps.km-1/2 Ó Max. 6400 km @2.5Gbit/s, 400km @10Gbit/s , 25km @40Gbit/s
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STM-64
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STM-256
La PMD dans la fibre - Réalité ou pure spéculation?
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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La PMD en théorie
La PMD – facteur limitant
La réalité du terrain
Contourner et répondre aux fortes valeurs de PMD
Mesurer la PMD
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La PMD et la norme fibre ITU-T G.652
G.652.A
G.652.B
G.652.C
G.652.D
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Possibilité Spectrale
performance PMD
Spectre Normal
(attenuation forte dans la
région du pic OH-)
Spectre Normal
(attenuation forte dans la
région du pic OH-)
Large spectre
(reduction du pic OH-)
Forte PMD
(0.5 ps / √km )
Large spectre
(reduction du pic OH-)
Faible PMD
(0.2 ps / √km )
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Opto 2005 – Conférence Club Optique
Faible PMD
(0.2 ps / √km )
Forte PMD
(0.5 ps / √km )
Évolution du design des fibres
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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Multimode: Dispersion modale Î Monomode
Augmentation des débits Î Monomode=2modes de polarisation
Prise en compte de ce paramètre dans la fabrication de la fibre
Exemple avec la fibre LEAF de Corning
Période de
fabrication
Max PMD
1998
0.5 ps/√km
1999
0.2 ps/√km
0.08 ps/√km
>2000
0.1 ps/√km
0.04 ps/√km
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“Link Design
Value”
Opto 2005 – Conférence Club Optique
la “PMD link design value” décrit
la PMD d’une concaténation de
section de fibres. Cette valeur
représente la limite statistique
haute de la PMD totale de la
liaison. Les valeurs de chaque
section peuvent changer lors du
câblage.
Variation de la PMD en fonction de l’âge de la fibre (1)
ƒ La PMD reste un problème,
même pour les installations de
fibres récentes.
ƒ Le modèle est très variable
d’un opérateur à l’autre, d’une
région à l’autre.
Sergio Barcelos - chief technology officer at FiberWork Optical Communications
Etude faite principalement au Brésil sur
l’installation de fibres récentes (<10ans), en
fonction de l’âge de la fibre.
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– Ex. Opérateur US, seul 2% des
câbles <1987 présentent des
valeurs de PMD trop
importantes.
– Ex. Opérateur européen, de
nombreuses fibres <1990 ne
peuvent accepter le 2.5Gbit/s
Opto 2005 – Conférence Club Optique
Variation de la PMD en fonction de l’âge de la fibre (2)
ƒ Fibre G652 de 117km. Liaison ƒ Fibre G652 de 100km Liaison
construite avant 1990
construite avec une fibre
récente ~2002
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Analyse long terme de la PMD
ƒ Variation entre 10 et 20% de la valeur de délai sur câble enterré
ƒ Différent pour aérien, plus dépendant des conditions climatiques
Mesure de la PMD pdt 2 jours sur
un câble enterré de 65km
Délai PMD
(ps)
21
Mesure de la PMD pdt 1 semaine
sur un câble aérien de 25km
Coeff PMD
(ps/sqrt(km))
Délai PMD
(ps)
Coeff PMD
(ps/sqrt(km))
Moyenne
6.672
0.828
Moyenne
0.532
0.101
Min
6.196
0.769
Min
0.316
0.06
Max
7.401
0.918
Max
0.714
0.135
variation
+/-9%
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variation/moyenne
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37%
La PMD dans la fibre - Réalité ou pure spéculation?
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Méthodes pour gérer les fibres à forte PMD
ƒ Si la valeur de PMD est forte, la fibre est alors
considérée comme sensible à la PMD.
–
–
–
–
–
Transmission sur des distances plus courtes (répéteurs…).
Transmission à des débits moins élevés par longueur d’onde.
Passage au DWDM.
Utilisation de Laser “chirp”.(variation fréquence dans le temps)
Utilisation d’une transmission soliton RZ à gestion de
dispersion.
– Utilisation du FEC (ITU-T OTN709).
– Compensation active optique ou électronique.
• Techniques démontrées en laboratoires.
• Peu de déploiements jusqu’à présent.
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Compensateurs PMD
ƒ Principaux types de compensateurs de PMD
– Système Mécanique (réduit une section de fibre pour
réaligner la polarisation des impulsions optiques pour
chaque bit.)
– Système électroniques (manipuler les électrons pour
réduire le taux d’erreurs de bits)
– Système optique adaptatif (réaligne et corrige les
impulsions des bits dispersés)
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Opto 2005 – Conférence Club Optique
Problèmes potentiels de PMD dans le futur
ƒ Diminution de l’espacement inter canaux en DWDM
– DWDM est, jusqu’à présent, la réponse aux fortes valeurs de
PMD pour la transmission haut débit.
ƒ Augmentation de la vitesse de transmission à 40Gbit/s
– Les limites du délai PMD sont divisées par 4 avec 2.5ps max.
– La PMD du second ordre devient un problème
ƒ Compensateurs
– L’ajout de compensateurs augmente les budget optique et
peut contribuer aux effets non linéaires.
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Quand mesurer la PMD?
ƒ La PMD est créée ou affectée à différentes étapes du
déploiement d’un réseau fibré et doit être mesurée:
– Pendant la fabrication de la fibre (usine)
– Pendant la fabrication du câble (usine)
– Après l’installation du câble dédié à la trans. Très haut débit (terrain)
• 10 Gbit/s par canal ou sup.
– A la planification de l’augmentation du débit d’un réseau existant (terrain)
• Les fibres fabriquées avant 1995 doivent être vérifiées.
– Régulièrement pendant la vie du réseau (conditions environnementales)
– Service additionnel offert par les installateurs
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Méthodes de mesure de PMD
‰ Fixed Analyzer Method
IEC 60793-1-48/ ITU-T G.650.2/ EIA/TIA Standard FOTP-113
‰ Jones Eigenanalysis Matrix Method
IEC 60793-1-48/ ITU-T G.650.2/ TIA/EIA Standard FOTP-122A
‰ Traditional Interferometric Method
IEC 60793-1-48/ ITU-T G.650.2/ TIA/EIA Standard FOTP-124A
‰ General Interferometric Method
IEC 60793-1-48/ ITU-T G.650.2/ TIA/EIA Standard FOTP-124A
‰ Poincare Sphere Method (not presented)
Laboratory use only
‰ State of Polarization method (Not presented)
Laboratory use only
‰ Simple calculation
Addition of the root square of the PMD of each section
‰ P-OTDR method
Not approved
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Méthode de l’analyseur fixe – MTS8000
Broadband Source
OBS 15
1
MTS 8000
Une lumière polarisée est
envoyée à travers la fibre
sous test et le spectre
transmis est analysé à
travers un polariseur.
2
Passage dans le domaine
temporel en prenant la
transformée de Fourier de
variations de puissance en
fonction de la longueur d’onde.
Random mode coupling
Broadband
Source
FUT
Polarizer
Analyzer
OSA
Delay (ps)
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Méthode de l’analyseur fixe – MTS8000
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Etablie sur le marché
Facile d’utilisation: Pas de configuration particulière
Mesure rapide et bonne incertitude absolue
DGD min. (0.08ps) et dynamique (45dB) compatible avec tout type de liaison
Mesure à travers amplificateurs EDFA possible
Solution robuste et dédiée terrain
– Pas de pièce amovible,
limitant le rique de pannes.
Analyse statistique
Délai PMD (1st & 2nd
order)
PMD Coefficient (1st & 2nd
order)
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PMD - Résumé ƒ Il n’existe pas de modèle de prédiction simple pour
interpréter la PMD des câbles optiques installés.
ƒ La PMD est plus critique sur des liaisons anciennes
mais reste un facteur de problème sur des câble plus
récents.
ƒ PMD reste le facteur majeur limitant le débit de
transmission sur fibres monomodes, alors que la
dispersion chromatique est parfaitement gérée par les
techniques de compensation (DCF, DCM).
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